專利名稱：利用雙三角棱鏡系統進行調制的光學讀出方法
技術領域：
本發明是一種光學讀出式紅外焦平面陣列熱成像系統的光學讀出處理技術，利用該技術可以代替刀口或者小孔對系統進行調制；并且對環境中的雜散光有顯著的抑制作用，令后續的圖像處理過程可以獲得更好的效果，提高圖像質量。
背景技術：
基于MEMS技術的應用光力學效應的非制冷紅外成像技術是一種新型的非制冷紅外探測技術，它是針對低功耗，微型化，高分辨率，低成本的要求提出來的。相對于制冷型和熱電型非制冷紅外成像系統，它省去了昂貴的制冷器和復雜的讀出電路，使得低成本的廣泛應用成為可能，另外理論上預測的該原理的熱檢測靈明度可以很高，這使得其在高性能紅外探測領域有著廣泛的應用前景。同時，國外的非制冷熱成像系統的高端產品對我國而言屬于禁運一類，中低端產品價格依然昂貴。研制我國擁有自主知識產權的高性能、低價格的非制冷紅外成像系統成為當務之急。如果光讀出式FPA能夠走向成品，那么這將是我國在MEMS領域取得的一項具有自主知識產權的新技術，將改變我國紅外熱成像探測器核心芯片完全依賴進口的現狀，其經濟意義和社會意義十分深遠。國內和國際上陸續有多家機構投入到對此項課題的研究當中，其中主要包括日本的Mkon公司，美國的Agiltron公司，美國加州大學伯克利分校，中國科學院微電子所以及中國科學技術大學和北京理工大學。美國Agiltron公司制造的高速光學讀出焦平面陣列， 其探測噪聲等效溫差已經達到120mK，陣列尺寸280XM0，輸出可達1000幀每秒。但目前此項技術還不夠成熟，離商業化還有一定的距離，僅僅停留在實驗研究階段。利用光學讀出技術來實現廉價的高靈敏度和高清晰度的紅外探測不僅必要而且可能。總體上看，該研究目前還處于起步階段，本發明將為進一步提高這類紅外探測器的性能指標打下基礎。焦平面陣列的光學讀出技術，主要是將焦平面陣列表面單元在紅外熱作用下的微小形變轉變為可直接用肉眼觀察的圖像的技術。焦平面陣列熱變形主要是基于雙材料梁受熱變形的機理，陣列單元的尺度約在幾十微米量級，每個單元內部都包含著一個或若干個的雙材料復合懸臂梁，構成懸臂梁的兩種材料熱膨脹系數相差懸殊，為了便于可見光探測， 在雙材料梁結構上會固定高反射率的材料制成的反射面或反射體，在紅外線的熱作用下懸臂梁會發生微小的彎曲，帶動反射面偏轉而改變入射光的相位。
發明內容
本發明的目的是利用三角棱鏡反射和折射性質以及折射定律，對經焦平面陣列單元反射的光線進行調制，讀出焦平面陣列受熱后單元偏轉的信息同時濾除系統雜散光，抑制噪聲。本發明的目的是由以下技術方案來實現①環境中不存在紅外輻射物體時，焦平面陣列每個單元均不發生偏轉，準直光經焦平面陣列反射后，通過棱鏡系統與透鏡后，光學
3接收器CCD接收此部分光能，并作為基準。②環境中有物體發出紅外輻射時，焦平面陣列由于雙材料效應發生偏轉，照射在焦平面陣列上的光線的反射角就會發生變化，這樣三角棱鏡的光線的入射角相應發生改變，經過三角棱鏡調制，光學接收器CCD上接收到的光能會增大或減小，與基準“相減”后可以得到輻射物體的熱圖像。有益效果采用本發明可以替代現有的刀口或者小孔濾波元件進行濾波，并且克服了由于焦平面陣列本身的缺陷，利用刀口濾波難找到譜平面中心的問題；通過調節兩三角棱鏡斜邊之間的距離，也可以實現對光波的調制，當兩斜邊距離大于某一數值時，入射到三角棱鏡的光線的入射角發生改變時，像平面的位移相對于沒放棱鏡時更大，這樣CCD上接收到的光能變化將更大，體現在圖像上便是明暗程度的變化更靈敏；利用反射波與入射波的性質，知該系統可減小環境中雜散光對系統成像的影響，抑制噪聲，改善輸出圖像質量。
圖1為基于本發明的以焦平面陣列為核心的熱成像系統原理示意圖。圖2為雙三角棱鏡系統。圖3為環境中沒有輻射源和有輻射源兩種情況下光線在棱鏡系統中的傳輸對比， 其中(a)為環境中沒有紅外輻射源的情況，(b)為環境中存在紅外輻射源的情況。其中1-光源，2-準直透鏡，3-外界入射紅外線，4-紅外透鏡，5-鍺玻璃，6_焦平面陣列，7-雙三角棱鏡系統，8-成像透鏡，9-CXD相機，10-數字圖像處理系統，12-焦平面陣列，13-雙三角棱鏡系統。圖4為K9玻璃反射率隨入射角的變化情況，其中(a)圖為光密到光疏，(b)圖為光疏到光密。圖5光點(FPA片子上的任一點)移動探測靈敏度示意圖。圖6為隨著入射角變化，像平面的偏移量(有棱鏡時像平面位移量與未放棱鏡時像平面位移量之差)，圖(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別表示兩棱鏡斜邊距離分別為Omm, 0. Imm, 0. 5mm, lmm, 1. 5mm, 2mm,初始角度(焦平面陣列與棱鏡直角邊的夾角)為7度時的偏
移量情況。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步描述圖1為光學系統原理圖。光源1發出的光經過準直照射到焦平面陣列6上，陣列6 反射的光線經過雙棱鏡與成像透鏡后成像在相機CXD上。當環境中沒有紅外輻射時，由數字圖像處理系統10采集一幀圖像并保存下來作為背景；當環境中有紅外輻射時，外界入射紅外線3經紅外透鏡4聚焦在焦平面陣列6上，由于雙材料效應，6的焦平面陣列單元會發生偏轉，入射到6上的光線經6反射后，光線也將發生偏轉，經過雙棱鏡系統調制后，CXD相機9上所接收到的圖像也將隨之發生改變。數字圖像處理系統10將當前采集的圖像與之前保存的背景圖像相減后輸出顯示在顯示器上，即得到了肉眼可見的紅外熱圖像。圖2為雙三角棱鏡系統，其中三角棱鏡兩斜邊保持平行，且有一定距離，當距離改變時，對光的調制將會發生變化。
圖3(a)為焦平面陣列未受熱時的光線以及經過焦平面陣列反射后的光線在雙三角棱鏡中的的傳輸情況。圖3(b)為焦平面陣列受到外界紅外輻射產生偏轉角后光線在棱鏡中的傳輸情況。此時入射到三角棱鏡的光線的入射角發生改變，根據反射波與折射波的性質，棱鏡反射的光能將發生改變；同時由于兩三角棱鏡之間有一定距離，當距離大于某一數值時，像平面的位移相對于沒放棱鏡時更大，這樣CCD上接收到的光能變化將更大，體現在圖像上便是明暗程度的變化更靈敏。
的。
下面分別從入射角變化與兩棱鏡距離的變化具體說明棱鏡是如何對光進行調制
1)入射角變化入射光波垂直分量的反射率Rs = Sin2( θ 廠 θ t)/sin2( θ ^ θ t)(1)平行分量的反射率Rp = tan2 ( θ 廠 θ t) /tan2 ( θ 廣 θ t)(2)總反射率假設所用的是自然光，則α = 1(4)圖4(a)為從光密到光疏，K9玻璃光的反射率隨入射角的變化情況，圖4(b)為從光疏到光密，光的反射率隨入射角的變化情況，從以上分析可以看出，初始角度(焦平面陣列與三角棱鏡斜邊的夾角)在40到41. 3度，當焦平面陣列受熱發生偏轉時，光的反射率劇烈發生變化，這樣CCD上接收到的光能變化將更大，體現在圖像上便是明暗程度的變化更靈敏。2)兩棱鏡距離變化設光點(FPA片子上的任一點)在CXD上所成的光點像的峰值令CXD剛好飽和，設 CCD灰度分辨率為N，如圖5所示，A點為光點移動前的光點亮度峰值位置，當光點像移動以后A點位于光點像的邊緣處，A點位于光點像的邊緣處，A的亮度也由最強的峰值亮度變到幾乎為0，相應的灰度值也由N變到幾乎為0，則反射光線檢測靈敏度為S=A /2Na(5)刀口濾波靈敏度為S= λ /1. 6Na(6)由以上兩式可知兩種靈敏度檢測是相當的，由此擴展到整個像平面可知，像平面的移動也可使物體成像。從圖6中可以看出，當初始角度一定時，兩三角棱鏡斜邊有一定距離，焦平面陣列受熱偏轉時像平面的位移與未放棱鏡時像平面位移量不同。當兩棱鏡間距離較小時，偏移量(有棱鏡時像平面位移量與未放棱鏡時像平面位移量之差)為負值，即此時放上棱鏡要比未放棱鏡像平面位移要小；當距離增大時，像平面的位移量相應增大，此時CCD上接收到的光能變化將更大，體現在圖像上便是明暗程度的變化更靈敏。實際中需要考慮到棱鏡尺寸的大小，根據實驗結果，一般保持兩斜邊的距離為1. 5mm左右時最佳。
權利要求
1.一種利用雙三角棱鏡系統進行調制的光學讀出方法，包括紅外調制照明光路、成像光路、光學讀出光路、圖像采集及處理裝置。主要過程是光源發出的光經過準直透鏡照射到焦平面陣列上，陣列反射的光線經過雙三角棱鏡系統，經過三角棱鏡系統調制后，再經過成像透鏡成像在相機C⑶上，最后經過圖像處理系統得到所需的紅外圖像。其特征在于利用雙三角棱鏡系統對經過焦平面陣列單元反射的光線進行調制，讀出焦平面陣列受熱后單元偏轉的信息；利用雙棱鏡系統濾除系統部分雜散光，實現抑制噪聲的目的。
2.如權利要求1所述的利用雙三角棱鏡系統進行調制的光學讀出方法，其特征在于 當焦平面陣列單元受熱產生熱致轉角后，反射到三角棱鏡的光線的入射角發生改變，經過三角棱鏡的調制，光學接收器CCD上接收到的光能就會產生相應變化，
3.如權利要求1所述的利用雙三角棱鏡系統進行調制的光學讀出方法，其特征在于 根據反射波和折射波的性質，光在三角棱鏡表面發生反射，在從光密到光疏的過程中，部分雜散光甚至發生全發射，即不傳輸此部分不滿足要求的光線，抑制了系統雜散光。
4.如權利要求2所述的利用雙三角棱鏡系統進行調制的光學讀出方法，其特征在于 當焦平面陣列與三角棱鏡斜邊初始角度即焦平面陣列未受熱偏轉時的角度不同時，系統探側靈敏是不同的。
5.如權利要求2所述的利用雙三角棱鏡系統進行調制的光學讀出方法，其特征在于 當玻璃材質不同時，焦平面陣列與三角棱鏡斜邊初始角度相同時，焦平面受熱發生偏轉后， 棱鏡反射的能量變化是不同的，這樣可通過改變玻璃材料提高系統探測靈敏度。
6.如權利要求2所述的利用雙三角棱鏡系統進行調制的光學讀出方法，其特征在于 當棱鏡兩斜邊的距離大于某一數值時，像平面的位移相對于沒放棱鏡時更大，這樣CCD上接收到的光能變化將更大，體現在圖像上便是明暗程度的變化更靈敏。
全文摘要
本發明為利用雙三角棱鏡系統進行調制的光學讀出方法，屬于棱鏡在光學讀出式紅外焦平面熱成像技術領域的應用。此方法是針對焦平面陣列由于本身的缺陷，利用刀口濾波難找到譜平面中心的問題。采用該方案可以代替刀口進行光學調制，同時對雜散光具有很好的抑制作用，從而改善輸出圖像的質量。主要過程環境中不存在紅外輻射物體時，準直光通過焦平面陣列、棱鏡系統與透鏡后，CCD接收此部分光能并作為基準。環境中有物體發出紅外輻射時，焦平面陣列由于雙材料效應發生偏轉，照射在焦平面陣列上的光線的反射角發生變化，這樣棱鏡的光線入射角相應發生改變，經過棱鏡系統調制，CCD上接收到的光能也相應改變，與基準“相減”后得到物體紅外圖像。
文檔編號G01J5/54GK102288302SQ20111018015
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月29日 優先權日2011年6月29日
發明者劉小華, 惠梅, 董立泉, 賈倩, 趙躍進, 陰剛華 申請人:北京理工大學